Stadtklima-Monitoring für die Klimafolgenanpassung

Zum Einsatz kommen professionelle Wetterstationen in Kooperation mit Wissenschaft und MINT-Bildung (=Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik), Bodenfeuchtesensorik zur Abbildung des städtischen Wasserhaushalts sowie Gewässersensoren zur Überwachung der Wasserqualität.

Die erfassten Daten werden energieeffizient – teilweise über das städtische LoRaWAN-Funknetz – übertragen und sukzessive in der urbanen Datenplattform (UDP) zusammengeführt, um Analysen, Modellierungen und eine integrierte Nutzung in der Verwaltung zu ermöglichen.

Damit können Maßnahmen zur Klimafolgenanpassung gezielter geplant, umgesetzt und bewertet werden. Gleichzeitig werden bestehende Lücken im kommunalen Klima- und Umweltwissen geschlossen, wodurch Entscheidungsprozesse insgesamt verlässlicher und datenbasiert erfolgen können.

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Erfolgsfaktoren zur Zielerreichung

Interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb der Stadtverwaltung

Die frühzeitige Einbindung der Fachämter erleichterte Standortentscheidungen für die jeweilige Sensorik, die technische Implementierung und für die Integration der Messinfrastruktur in bestehende Arbeitsprozesse. So ließen sich Datenbedarfe und operative Anforderungen passgenau berücksichtigen.

Enge Kooperation mit dem Bochumer Urban Climate Lab der Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Die Wissenschaft unterstützte maßgeblich die Auswahl geeigneter Klimastandorte, den Aufbau und Betrieb der professionellen Wetterstationen und stellt die fortlaufende Qualitätssicherung der Daten sicher. Dadurch ist eine hohe fachliche Validität der Messwerte sichergestellt – eine wesentliche Voraussetzung für belastbare Analysen und Modellierungen.

Integration in bestehende Systeme

Die erfassten Daten fließen direkt in bestehende Messdaten-Management Systeme der Stadt Bochum sowie perspektivisch in die UDP ein. Das verbessert das städtische Monitoring.

Akzeptanz und Implementierung technologischer Lösungen in der Stadtverwaltung

Die positiven Erfahrungen während der Lösungspilotierung trugen dazu bei, Vorbehalte gegenüber neuen technischen Entwicklungen zu überwinden.

Evidenzbasierte Entscheidungen in der Stadtentwicklung

Die Maßnahme fördert effektiv und nachhaltig die Umsetzung stadtentwicklungspolitischer Ziele, vor allem im Bereich der Klimafolgenanpassung, indem sie fundierte Entscheidungen ermöglicht, Problembereiche identifiziert und eine langfristige Planung unterstützt.

Kooperation mit dem MINT-Bildungscluster

Zusätzliche Bildungsimpulse sind durch eine Kooperation mit dem Bochumer MINT-Bildungscluster entstanden, das begleitende Unterrichtseinheiten entwickelt. So wird ein weiterer gesellschaftlicher Nutzen im Sinne der Sustainable Development Goals erzielt.

Erfolgsfaktoren zur Übertragbarkeit

Modularer Aufbau der Maßnahme

Die Aufteilung in Bodenfeuchte-, Gewässer- und Wetterdatenmonitoring ermöglicht eine budgetabhängige Reproduktion von Einzelbestandteilen.

Übertragbare Erkenntnisse zur Auswahl geeigneter Sensoren, Standorte, Datenübertragungswege und Dateneinbindung

Gesammelte Erkenntnisse in Bezug auf die verwendete Sensorik (zum Beispiel Fabrikate, sinnvolle Anpassungen oder Standortauswahl), Datenübertragungswege (zum Beispiel über LoRaWAN oder Mobilfunk) in bestehende Fachverfahren sowie eine UDP können weitergegeben werden.

Erfolgsfaktoren zur Verstetigung

Frühzeitige Einbindung der zuständigen Fachämter und der RUB

Die enge Zusammenarbeit mit dem Technischen Betrieb und dem Tiefbauamt der Stadt Bochum von Anfang an hat die spätere Übernahme der Bodenfeuchte- und Gewässersensorik in den Regelbetrieb erleichtert. Durch die gemeinsame Entwicklung und Validierung des Setups entstand ein hohes Maß an fachlicher Akzeptanz und Ownership. Die Kooperation mit dem Bochumer Urban Climate Lab der RUB und dem MINT-Cluster Bochum sichert eine professionelle Umsetzung und langfristige Verstetigung des Wetterstationsnetzwerkes.

Nachweisbar operativer Nutzen für die beteiligten Fachämter

Die kontinuierlich verfügbaren Klimadaten verbessern Arbeitsprozesse spürbar: Gewässersensorik reduziert den Bedarf manueller Probenahmen sowie personeller Ressourcen und beschleunigt Reaktionszeiten, Wetter- und Bodenfeuchtedaten unterstützen fachliche Entscheidungen und ermöglichen ein gezielteres Ressourcenmanagement. Zudem hilft die Sensorik, die Wirksamkeit von Investitionen in die Klimafolgenanpassung zu überprüfen. So gelingt der Fokus auf wirklich wirksame Maßnahmen und die Vermeidung teurer Fehlinvestitionen. Diese Prozessgewinne tragen langfristig zur Kostenstabilisierung bei und schaffen einen klar erkennbaren Mehrwert im Verwaltungshandeln.

Offene technische Standards

Standardisierte Sensorik und etablierte Übertragungsverfahren erleichtern Betrieb und Ersatzbeschaffung. Diese strukturelle Offenheit unterstützt eine langfristige Fortführung über den Projektzeitraum hinaus.

Urbane Datenplattform als nachhaltige Datenbasis

Die perspektivische Zusammenführung von Sensordaten mit weiteren städtischen Datensätzen ermöglicht integrierte Anwendungen wie Monitoring-Dashboards oder Planungstools für die Klimafolgenanpassung. Dadurch können neue digitale Dienstleistungen mit dauerhaftem Nutzen für Verwaltung und Bürgerinnen und Bürger im Sinne kommunaler Daseinsvorsorge entwickelt werden. Die Daten werden durch ein entsprechendes Rollen- und Rechtesystem für verschiedene städtische Fachämter, Fachabteilungen der Konzerntöchter sowie für die Öffentlichkeit zugänglich. Dies verbessert fachübergreifende Planungsprozesse, erhöht die Transparenz des Verwaltungshandelns und ermöglicht die Datennutzung durch die Wissenschaft.

Bochum_Umsetzungsstruktur — Creative Climate Cities

Weitere Informationen

Ausgangsbedingungen und Ziele

Lokale Herausforderungen

Bochum steht bereits heute vor deutlich spürbaren Klimafolgen. Zunehmende Hitzewellen, längere Trockenphasen und Starkregenereignisse belasten Bevölkerung, Infrastruktur und städtische Ökosysteme. Besonders betroffen sind stark versiegelte Stadtteile, in denen sich Hitzeinseln ausbilden und die gefühlte Temperatur deutlich steigt. Bislang fehlte eine kleinräumige, verlässliche Datengrundlage, um lokale Klimawirkungen sicher zu bewerten und Maßnahmen, wie die folgenden zielgenau zu planen:

Stadtgrün unter Trockenstress

Die anhaltende Trockenheit hat den Bewässerungsbedarf junger Bäume deutlich erhöht. Ohne Sensorik ließ sich nicht belastbar bestimmen, wann und wie viel zusätzlich bewässert werden muss. Bodenfeuchtesensoren ermöglichen eine bedarfsgerechte Bewässerung und reduzieren Ausfälle.

Gewässerbelastung durch Hitze

Sinkende Wasserstände und steigende Temperaturen führen in Teichen zu Sauerstoffmangel, der in der Vergangenheit wiederholt zu Fischsterben geführt hat. Ein Monitoring von Wasserparametern schafft nun die Grundlage für frühzeitige Gegenmaßnahmen.

Wärmeinsel-Effekte in dicht bebauten Bereichen

Spezielle Messungen (unter anderem zur gefühlten Temperatur) erlauben es, Hitzehotspots zu identifizieren und Maßnahmen zur Hitzereduktion gezielter zu priorisieren.

Damit liefert das Bochumer Stadtklima-Monitoring Antworten auf die zentrale lokale Herausforderung, Klimaanpassung datenbasiert, kleinräumig und wirksam zu planen und umzusetzen.

Planungsziele

Die Bekämpfung des Klimawandels und die Anpassung der Stadt an den Klimawandel sind für Bochum als drängende Aufgaben erkannt worden. Indem Bochum bis 2035 zu einer klimaneutralen und erneuerbaren Schwammstadt – der Stadtraum verfügt über viele Flächen, die Regen- und Oberflächenwasser aufnehmen und zwischenspeichern können – entwickelt wird, werden diese Aufgaben adressiert. Vor dem Hintergrund des kurzen Zeitraums ist die verlässliche durch das Stadtklima-Monitoring geschaffene Datenbasis zentral, um die Wirksamkeit von Maßnahmen zu maximieren und planerische Entscheidungen auch im Nachhinein effektiv zu evaluieren. Als evidenzbasierte Steuerungsgrundlage für Klimafolgenanpassung trägt das Stadtklima-Monitoring zum Erhalt der Lebensqualität der Bochumer Stadtgesellschaft sowie zur Erhöhung der Resilienz für Wirtschaft und Gesellschaft bei, indem basierend auf einer verbesserten Datenbasis Präventions-, Eindämmungs- und Anpassungsstrategien kontinuierlich (weiter-)entwickelt werden.

Ansatz zur Wirkungsmessung

Die Erfolge werden anhand mehrerer Schlüsselindikatoren nachgewiesen:

● Anzahl ausgebrachter Bodenfeuchtesensoren

● Anteil des Stadtgebiets mit berechneten Bodenfeuchtedurchschnittswerten für eine optimale Bewässerung (in Prozent)

● Anzahl installierter Messstellen für das Gewässermonitoring

● Häufigkeit der Messdatenerhebung sowie der Datenübertragung

● Anteil der dauerhaft wasserführenden Regenrückhaltebecken im Stadtgebiet, die durch Sensorik überwacht werden

● Anteil der relevanten Stillgewässer (zum Beispiel Teiche, Rückhaltebecken) mit installierter Sensorik

● Anzahl der reduzierten manuellen Messfahrten

● Anteil des vermiedenen Fischsterbens durch frühzeitige Erkennung und Reaktion

● Beitrag zur Überflutungsvorsorge durch datenbasierte Prognosen

● Anzahl Veröffentlichungen auf Basis der Klimadaten

● Anzahl der erreichten Schülerinnen und Schüler mit MINT-Unterrichtseinheiten

Entwicklung und Umsetzung

Prozessschritte

Zur erfolgreichen Umsetzung des Stadtklima-Monitoring sind mehrere Schritte notwendig:

Erhebung der fachlichen Anforderungen bei relevanten städtischen Fachämtern sowie wissenschaftlichen Partnern und Anbahnung von Kooperationen
technologische Vorprüfung und wissenschaftliche Bewertung geeigneter Sensorik und Messstellen zur Auswahl der optimalen Lösung
Implementierung einer kosteneffizienten Übertragungslösung für ausgewählte Komponenten (zum Beispiel LoRaWAN)
Festlegung geeigneter Standorte, zum Beispiel auf Basis wissenschaftlicher Standortanalysen
Durchführung von Testläufen und Anpassung der Sensorausbringung auf Grundlage gewonnener Erkenntnisse (zum Beispiel Verbesserung des LoRaWAN-Empfangs, Erhöhung der Messgenauigkeit (zum Beispiel durch Umrüstung auf schwimmende Messstellen bei Gewässern)
Montage und Inbetriebnahme der Sensorik und Messstellen
Herstellung des Datenflusses zwischen Sensoren und Messstellen, Fachanwendung und UDP
Datenanalyse und -validierung (Plausibilitätsprüfungen, Vergleichsmessungen, Qualitätssicherung)
Visualisierung der Messdaten in Dashboards und Kartenanwendungen
Nutzung der Daten in fachlichen Planungs- und Entscheidungsprozessen

Governance

Innerhalb der Organisationsstruktur von Bochum ist die Smart City Innovation Unit für die Koordination und Durchführung der Maßnahme zuständig. Die Smart City Innovation Unit ist eine gemeinsam von der Stadtverwaltung und den städtischen Unternehmen getragene Einheit und setzt sich entsprechend aus Mitarbeitenden der Konzerntöchter und der Stabstelle Digitalisierung der Stadt Bochum zusammen.

Die Umsetzung fand in Kooperation mit dem Technischen Betrieb und dem Tiefbauamt der Stadt Bochum, dem Bochumer Urban Climate Lab der RUB und dem MINT-Cluster Bochum statt. Beteiligte Dienstleistende waren: OKEANOS Smart Data Solutions GmbH, TerraTransfer GmbH, Campbel Scientific Ltd.

Die Verstetigung der Maßnahmen erfolgt maßgeblich über die genannten Kooperationspartner.

Kosten bei Beschaffung und Betrieb

	Personalkosten	Sachkosten	Investive Kosten
Anschaffung		28.000 €	382.000 €

Partizipation und Kommunikation

Bürgerinnen und Bürger beteiligte die Stadt Bochum im Rahmen mehrerer Veranstaltungen der Reihe „Stadtlabor zu Besuch“, bei denen der aktuelle Stand, die technische Umsetzung und die künftigen Perspektiven erläutert und mit den Bürgerinnen und Bürgern diskutiert wurden.

Technische Infrastruktur

Zur Erfassung der Bodenfeuchte in verschiedenen Tiefen werden Multi-Depth-Sensoren von Sensoterra eingesetzt. Ergänzend messen kostengünstigere Single-Depth-Sensoren die Feuchtigkeit in der obersten Bodenschicht. Die Sensoren übertragen die Messwerte stündlich als volumetrischen Wassergehalt (VWC) via LoRaWAN an die Internet-of-Things (IoT)-Plattform der Stadtwerke.

Für die Datenübertragung wird eine entsprechende LoRaWAN-Infrastruktur vorausgesetzt. Standardmäßig werden die Rohdaten durch Sensoterra kalibriert. Diese Funktion kann jedoch über den LocalMode deaktiviert werden. Von der IoT-Plattform gelangen die Daten schließlich per MQTT-Schnittstelle an die UDP.
Zur Überwachung von offenen Regenrückhaltebecken, Teichen und Gewässern werden Sensorsysteme der TerraTransfer GmbH mit verschiedenen Messsonden eingesetzt. Je nach Profil erfassen diese Parameter wie Sauerstoffgehalt, Füllstand, pH-Wert, Redoxpotenzial oder die elektrische Leitfähigkeit.

Die Übertragung der Messdaten erfolgt in einem 15-Minuten-Intervall via Mobilfunk an eine spezialisierte Server-Fachanwendung. Innerhalb dieser Anwendung lassen sich Funktionen wie ein Alarmmodus konfigurieren: Bei Überschreitung definierter Schwellenwerte erfolgt eine automatische Benachrichtigung, um auf Veränderungen unmittelbar reagieren und zielgerichtete Maßnahmen einleiten zu können.

Aktuell werden die Messdaten über eine offene Schnittstelle (API) aus der Fachanwendung ausgelesen und als Open Data in Form von regelmäßigen CSV Dumps veröffentlicht. Parallel zum laufenden Aufbau der UDP ist die vollständige Integration dieser Datenströme fest geplant. Dies soll über einen direkten Übertragungsweg von den Sensoren in die UDP erfolgen.
An verschiedenen Standorten im Bochumer Stadtgebiet erfassen Wetterstationen der Campbell Scientific Ltd. kontinuierlich meteorologische Daten, darunter Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie Sonneneinstrahlung und UV-Index.

Die Übertragung der Messwerte an die UDP ist primär via Mobilfunk mittels des MQTT-Protokolls vorgesehen. Die Implementierung dieses direkten Datenwegs wird derzeit jedoch vermutlich durch einen Firmware-Fehler seitens des Herstellers Campbell Scientific Ltd. erschwert. Der laufende Debugging-Prozess mit dem Hersteller gestaltet sich zeitintensiv, sodass die vollständige produktive Nutzung dieser Schnittstelle aktuell noch in der Bearbeitung ist. Parallel dazu werden die Rohdaten über einen herstellerspezifischen Übertragungsweg von der RUB abgerufen. Dort erfolgt eine wissenschaftliche Aufbereitung sowie eine umfassende Qualitätssicherung der Datensätze, um deren Validität für weiterführende Analysen sicherzustellen.

Die Sensordaten aus sämtlichen Teilprojekten können über verschiedene Schnittstellen abgerufen oder an weiterführende Systeme übermittelt werden. Die UDP fungiert dabei als zentrale Datenhaltung sowie -drehscheibe.

In der aktuellen Ausbaustufe wird Civitas Core als technologische Basis für die UDP genutzt. Als zentrales Datenmodell kommt dabei die OGC SensorThings API (STA) zum Einsatz. Dieser internationale Standard gewährleistet eine interoperable Strukturierung der Beobachtungs- und Metadaten (zum Beispiel Standorte, Sensoreigenschaften und Messwerte). Die Realisierung der Plattformfunktionalitäten ist dementsprechend eng an die Implementierung der zugehörigen Civitas-Core-Komponenten und deren Abbildung im SensorThings-Datenmodell gebunden.

Derzeit wird die Anbindung an die kommunalen Bestandssysteme realisiert. Deren Integration nahm einen längeren Zeitraum in Anspruch, da zunächst die notwendigen technischen Voraussetzungen für eine stabile Instandsetzung geschaffen werden mussten. Parallel dazu erfolgt die Implementierung erweiterter Funktionalitäten innerhalb der UDP, wie beispielsweise die Erstellung von Dashboards. Perspektivisch ist zudem geplant, die Modellierung des Wasserhaushalts, die aktuell noch in spezialisierten Fachanwendungen erfolgt, direkt in die Umgebung der UDP zu integrieren.

Datengrundlage

Neu erhobene Daten:

Bodenfeuchte: Feuchtigkeitsgehalt
Gewässer: Sauerstoff, Füllstand, Sauerstoff, pH, Redox, Leitfähigkeit
Mikroklima: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und -richtung, Sonneneinstrahlung, UV-Index

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